中国报告大厅网讯，木材作为一种传统且广泛应用的材料，因其坚固耐用、加工简易等特性，在木箱、木桶、木托盘等包装材料领域占据重要地位。然而，木材作为生物质材料，易受到霉菌侵蚀和腐朽影响，严重缩短其使用寿命。为解决这一问题，木材加工行业常采用浸渍水溶性铜基防腐剂的方式处理木材，以满足木包装材料的使用要求。在众多铜基防腐剂中，季铵铜(ACQ)和铜唑(CA)因对木腐菌具有良好的防腐效果，且不含砷、铬等有害物质，不影响木材力学性能，成为市场上的主流选择。但研究表明，ACQ 和 CA 处理材在户外使用5年后，铜离子流失率分别可达19%和15%，这不仅降低了处理材的使用寿命，还带来了不容忽视的环境问题。因此，寻找一种既能有效改善铜离子抗流失性，又不损害木材力学性能的环保方法，成为当前防腐木行业亟待解决的关键问题。

  一、改良溶胶凝胶法处理防腐木的实验过程

  1.1 材料准备

  实验选用杨木作为研究对象，其来自临颍县地金汇木业有限公司，要求木材未经化学处理，无裂纹、疤痕且材质均匀。将杨木锯切成 100 个规格为 40mm×20mm×5mm 的试件备用。实验所需的化学试剂包括：正硅酸乙酯(分析纯，福晨(天津)化学试剂有限公司)、无水乙醇(分析纯，广州化学试剂厂)、乙酸(分析纯，广州化学试剂厂)、ACQ 防腐剂(ACQ-D 型，质量分数为 15%)、CA 防腐剂(质量分数为 10%)以及黑曲霉(Aspergillus niger，ATCC16404)。实验仪器有 10L 定制真空压力罐、DF-101S 型集热式磁力搅拌器、SPECTRUM100 型傅里叶变换红外光谱仪、S-570 型扫描电镜、TG209 F1Libra TM 型热重分析仪、220FS 型火焰原子吸收光谱仪、OCA20 型光学接触角测量仪等。

  1.2 木材防腐处理

  《2025-2030年中国防腐木行业发展趋势分析与未来投资研究报告》指出，将杨木试件进行绝干处理并编号，记录初始质量。随后将试件放入真空压力罐，进行前真空处理 20min，压强为−0.1MPa。利用大气压强吸入防腐剂，使试件完全浸没其中，在 0.6MPa 压力下保持 1h。解除压力后，立即用滤纸吸干试件表面液体，再次称量并自然晾干，得到防腐处理后的木材，即防腐木。

  1.3 溶胶凝胶处理

  1.3.1 溶胶浸渍法

  按照无水乙醇、乙酸、水物质的量之比为 1:0.01:0.1，在 300r/s、60℃条件下混合均匀，匀速滴入与无水乙醇同物质的量的正硅酸乙酯，控制滴加时间为 1h，防止出现爆沸或过度水解。继续搅拌 1h，形成 pH 值为 5 的澄清透明且稳定的溶胶。采用真空加压法将溶胶浸渍到防腐木中，真空加压条件与木材防腐处理时相同，自然晾干后制得凝胶防腐木。

  1.3.2 原位固定法

  记录恒重后防腐木的质量，计算每个试件的平均绝对含水率。当正硅酸乙酯与水的物质的量之比为 1:2 时水解反应完全，根据含水率计算正硅酸乙酯用量。用滴管取稍过量的正硅酸乙酯，缓慢均匀滴加到试件每个表面，以溶液不在试件表面流动为宜。硅 / 金属醇盐利用木材细胞壁或空腔内的水分进行水解和缩聚反应形成凝胶，自然干燥后得到凝胶防腐木。

  1.4 表征与测试方法

  1.4.1 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试

  将试件充分干燥后磨成粉状，按照溴化钾与木粉质量比为 100:1 混合研磨并制成压片，在 4000~400cm⁻¹ 内进行扫描。

  1.4.2 热重(TGA)分析

  取 2~5mg 木粉于坩埚中，以空气为介质，升温速率为 10℃/min，在 35~600℃内测量样品的热失重曲线。

  1.4.3 接触角(OCA)测试

  在试件表面滴加等量的水，在同一试件上取不同 3 点测量接触角，取中间值。

  1.4.4 扫描电子显微镜(SEM)分析

  对经液氮冷冻后的样品进行镀金处理，使用场发射扫描，在 10kV 操作电压下观察其形貌。

  1.4.5 抗流失性能测试

  参考相关标准，选取规格为 40mm×20mm×5mm 且载药量相近的试件，采用火焰原子吸收光谱进行元素分析，依据特定公式测试铜离子的固着率。

  1.4.6 防霉性能测试

  参考相关标准，取适量含吐温 80 的无菌水倒入空气杂菌平板，刮取平板表面并收集滤液，重复操作 2 次。以 6 个试件为一组，控制喷涂次数和距离，保证菌液均匀且基本等量地接种在各试件上，在温度为 25℃、相对湿度为 80% 的条件下培养 28d，观察试样表面霉菌的感染面积及生长情况，参照被害值分级标准对处理材的防霉效果进行评价。

  二、改良溶胶凝胶法对防腐木性能的影响

  2.1 铜离子抗流失性显著提升

  实验结果表明，溶胶凝胶处理可使防腐剂中铜的固着率明显提高。采用直接浸渍法时，ACQ 和 CA 处理材中铜的固着率分别比未处理材提升了 9.11% 和 3.17%，这表明正硅酸乙酯在木材中通过缩合最终产生了三维网络结构，增强了铜离子的固着性。采用原位固定法时，ACQ 和 CA 处理材中铜的固着率分别比未处理材提升了 7.47% 和 2.15%，说明木材中的水分为正硅酸乙酯在木材中发生水解提供了条件，进而产生凝胶，提高了铜离子的固着率。

  2.2 红外光谱分析显示内部结构变化

  傅里叶红外光谱图结果显示，经溶胶凝胶处理后的防腐木试件在 460cm⁻¹ 处出现伸缩振动峰，表明正硅酸乙酯经过水解、缩聚反应生成了二氧化硅，并通过凝胶形成了 Si-O-Si 结构。波长为 1732cm⁻¹ 处为半纤维素或木质素上羰基的伸缩振动吸收峰，原位溶胶凝胶法处理后木材的吸收峰减弱，可能是部分羰基起到了催化正硅酸乙酯水解的作用。3450~3300cm⁻¹ 为羟基的伸缩振动吸收峰，处理后的木材在该范围内的羟基强吸收峰明显减弱，说明正硅酸乙酯上的硅羟基与木材纤维素和半纤维素上的碳羟基之间脱水，使羟基减少。此外，原位处理的木材较直接浸渍溶胶凝胶处理木材的羟基吸收峰更弱，表明正硅酸乙酯在水解过程中消耗了部分化学水，导致羟基减少。这些结果表明，两种方法处理的木材均可在木材内部形成硅凝胶。

  2.3 微观形貌呈现凝胶形成特征

  扫描电镜分析结果显示，将溶胶凝胶处理后的试件与空白素材和仅防腐剂浸渍处理(即未经溶胶凝胶处理)的试件进行对比，溶胶凝胶法处理后的杨木导管中均出现了明显的填充物质，并在木材纤维表面形成了附着，这说明两种方法均可在木材内形成硅凝胶。同时对比发现，浸渍法所得到的凝胶产物更多更厚，而原位法得到的凝胶较薄。这是因为浸渍法采用的酸催化水解反应更加完全，并且真空加压可使凝胶更加均匀地进入木材孔隙中。

  2.4 表面疏水性能大幅增强

  试件的水接触角测试结果表明，ACQ 和 CA 处理材的水接触角分别为 10.8° 和 12.7°，呈现完全润湿状态。而浸渍法溶胶凝胶处理的 ACQ 和 CA 处理材的水接触角分别为 126.8° 和 127.6°，疏水性显著增强。这是由于正硅酸乙酯上的羟基与木材纤维素上的羟基发生脱水缩合，减少了羟基的数量和极性基团，使木材表面与水分的相互作用减弱，提高了木材的疏水性。原位法溶胶凝胶处理的 ACQ 和 CA 处理材的水接触角分别为 123.1° 和 95.5°，也达到了疏水的效果，但较浸渍法略差。结果表明溶胶凝胶处理可在木材内部及表面形成二氧化硅凝胶网络，从而提高了木材的疏水性，此结果与红外光谱和微观形貌分析的结果一致。

  2.5 耐热性能得到有效改善

  热重分析结果显示，当温度为 160~400℃时，纤维素和半纤维素加速分解，经过溶胶凝胶法处理的木材热解曲线的斜率明显减缓。这是由于处理后在木材的孔隙中产生了二氧化硅凝胶，减缓了木材的导热性及热解速度，从而提高了处理材的热稳定性。ACQ 防腐木的质量残留率为 13.43%，比未处理材高 4.35%，这是因为防腐剂中存在部分无机物。浸渍法和原位法溶胶凝胶处理材的质量残留率较杨木素材和防腐处理材增加，说明溶胶凝胶处理使木材内部产生了二氧化硅凝胶网络结构，并且浸渍法的残留率较原位法更高，说明浸渍法在木材内形成的二氧化硅网络凝胶更多，这与扫描电镜结果一致。

  2.6 防霉性能表现优异

  根据防霉性能测试结果，未处理材的侵染面积达 75%，被害值为 4;经过防腐剂处理的木材表面出现零星霉点，霉变面积小于 5%，被害值为 0;溶胶凝胶处理的木材表面光滑平整，无发霉现象，霉变面积为 0，被害值为 0。结合其他实验结果可知，一方面，二氧化硅网状结构的填充可有效地固着防腐剂的主要成分，提高了木材的防霉性;另一方面，二氧化硅在木材表面形成的薄膜也可有效减少微生物的损伤。

  三、研究总结

  本研究通过采用溶胶浸渍法和原位固定法这两种溶胶凝胶技术对铜基防腐木进行处理，深入探究了其对木材性能的影响。研究结果表明，这两种溶胶凝胶方法均能在铜基防腐木中成功构建二氧化硅网状结构。这一结构不仅显著提高了铜离子的固着率，有效改善了防腐木材的抗流失性能，还在提升木材疏水性、热稳定性和防霉性能方面发挥了积极作用。

  从实际应用角度来看，溶胶凝胶处理铜基防腐木具有多重优势。它缓解了铜离子流失带来的环境问题，延长了铜基防腐剂的效力，进而延长了木包装材料的使用寿命，降低了防腐木使用场景的要求。而且，本研究中所采用的设备在实际生产中可以用工业上常用的大型真空加压设备替代，这为防腐木的实际生产提供了具有重要参考价值的技术方案。

  综上所述，本研究为铜基防腐木在实际生产中的技术创新提供了有益借鉴，有望推动木包装材料行业朝着更加环保、高效的方向发展。未来，随着相关技术的不断完善和优化，溶胶凝胶法在防腐木行业领域的应用前景将更加广阔。